Su Arıtımında Koagülasyon

Koagülasyon, sudaki kolloidal ve ince askıda katı maddelerin (bulanıklık oluşturan parçacıklar dahil) kararlı hâlini bozarak birbirleriyle birleşmesini kolaylaştıran; bunun sonucunda çöktürme ve filtrasyonla uzaklaştırılabilen daha büyük agregalar (floklar) oluşturan temel bir arıtma prosesidir.^[1] İçme suyu arıtımında koagülasyon, çok bariyerli yaklaşımın kritik adımlarından biri olarak patojenlerin ve partikül bağlı kirleticilerin fiziksel uzaklaştırılmasına doğrudan katkı sağlar.^[2]

Tanım ve Önemi

Ham sudaki parçacıkların önemli bir kısmı yüzey yükleri nedeniyle birbirini iter ve uzun süre askıda kalabilir. Koagülantlar (ör. alüminyum veya demir tuzları) ve/veya katyonik polimerler, bu elektrostatik itmeleri azaltarak parçacıkların çarpışma-verimli birleşme olasılığını artırır.^[3] Başarılı bir koagülasyon, çöktürme/filtrasyon verimini artırır; aynı zamanda doğal organik madde (NOM) giderimiyle dezenfeksiyon yan ürünlerinin (DBP) öncüllerini azaltmaya yardımcı olabilir.^[4]

Kısa Tarihçe

Koagülasyonun su arıtımındaki kullanımı, modern içme suyu tesislerinin gelişmesiyle birlikte “konvansiyonel arıtma treni” (hızlı karıştırma–flokülasyon–çöktürme–filtrasyon–dezenfeksiyon) içinde standartlaşmıştır. Zamanla jar testi, pH/alkalinite kontrolü ve çevrimiçi proses izleme gibi uygulamalarla koagülasyonun işletme kontrolü daha hassas hâle gelmiştir.^[3]

Mekanizma ve Prensipler

Kolloid Kararlılığı, Elektriksel Çift Tabaka ve Zeta Potansiyeli

Kolloidal parçacıklar, yüzey yükleri ve çevresindeki iyonik ortam nedeniyle “elektriksel çift tabaka” ile stabilize olur. Bu kararlılığın pratik göstergelerinden biri zeta potansiyelidir. Zeta potansiyelin sıfıra yaklaştığı izoelektrik noktada agregasyon eğilimi artar ve sistem genellikle en az kararlı hâle gelir.^[5] Uygulamada hedef, parçacıkların yeniden-stabilize olmayacağı bir yük dengesine yaklaşmak ve flok oluşumunu sürdürülebilir kılmaktır.^[6]

Başlıca Koagülasyon Mekanizmaları

Koagülasyonun etkinliği, ham su kimyası ve dozaja bağlı olarak farklı mekanizmalarla açıklanır:^[1]

• Yük nötralizasyonu: Düşük/orta dozlarda, koagülant türleri parçacık yüzey yükünü azaltarak itmeleri zayıflatır ve çarpışma ile birleşmeyi kolaylaştırır.
• Süpürme koagülasyonu (sweep floc): Daha yüksek dozlarda oluşan metal hidroksit çökeltileri (ör. Al(OH)₃, Fe(OH)₃) “süpürücü” bir flok matrisi oluşturur; askıda katıları ve bazı kolloidleri fiziksel olarak yakalayarak aşağı taşır.
• Adsorpsiyon-köprüleme: Özellikle polimerler, parçacıklar arasında “köprü” etkisi kurarak büyük ve dayanıklı floklar oluşturabilir.

Hidroloz, pH ve Alkalinite İlişkisi

Alüminyum ve demir tuzları suya verildiğinde hidroliz reaksiyonlarıyla hidroksit türleri ve H⁺ oluşturur; bu nedenle koagülasyon pH’ı ve alkalinite kritik işletme parametreleridir.^[3] Örnek bir demir(III) tuzu tepkimesi aşağıdaki gibi gösterilebilir:^[7]

$$ \mathrm{FeCl_3} + 3\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{Fe(OH)_3}\downarrow + 3\,\mathrm{H^+} + 3\,\mathrm{Cl^-} $$

Benzer şekilde alum (alüminyum sülfat) uygulamalarında pH, hangi hidroliz türlerinin baskın olacağını belirler ve optimum aralık ham su karakterine göre değişmekle birlikte yaklaşık pH 5–8 bandında rapor edilir.^[3] Ayrıca pH kontrolü, sadece bulanıklık/renk giderimi için değil, düşük çözünmüş artık alüminyum seviyeleri için de önemlidir.^[8]

Türler ve Sınıflandırma

Koagülasyon kimyasalları pratikte iki ana sınıfta ele alınır: (i) inorganik metal tuzları/ön-polimerize koagülantlar ve (ii) organik polimer koagülantlar/koagülant yardımcıları.^[1]

• İnorganik koagülantlar: Alum, ferrik klorür, ferrik sülfat, polialüminyum klorür (PACl) ve bazı hidroksillenmiş demir tuzu türevleri gibi koagülantlar.^[4]
• Organik koagülantlar/polimerler: Katyonik polimerler (yük nötralizasyonu ve/veya köprüleme) ile flok özelliklerini iyileştirmek amacıyla kullanılan koagülant yardımcıları.^[1]
• Doğal koagülantlar: Kitosan gibi biyopolimerler, bazı senaryolarda bulanıklık ve mikrobiyal azaltım performansı açısından incelenmektedir.^[9]

Tipik Proses Adımları

1) Koagülant Dozajı ve Hızlı Karıştırma (Flash Mix)

Koagülant, ham suya genellikle “hızlı karıştırma” bölgesinde verilir. Amaç, kimyasalın çok kısa sürede suya eşit dağılması ve mikroflok oluşumunun başlatılmasıdır; bu adım saniyeler mertebesinde gerçekleşebilir.^[3] Hızlı karıştırma tasarımında karıştırma şiddeti çoğunlukla hız gradyanı (G) ile ifade edilir; bazı kılavuzlarda hızlı karıştırma için 700–1000 s⁻¹ aralığında G değerleri ve 60 saniyeden kısa süreler önerilmiştir.^[10]

2) Flokülasyon (Yavaş Karıştırma)

Flokülasyon, destabilize parçacıkların kontrollü ve nazik karıştırmayla çarpıştırılıp büyütüldüğü aşamadır. Bu aşamada hedef, oluşan flokların kırılmasını önleyerek boyut ve dayanım kazandırmaktır. Uygulamada flokülasyon için daha düşük G değerleri (ör. 20–80 s⁻¹) ve daha uzun temas süreleri kullanılır.^[10]

3) Çöktürme / Durultma

Floklar yoğunluk ve boyuta bağlı olarak durultucuda çöker. Koagülasyon-flokülasyon performansı, durultma çıkış bulanıklığı ve filtre performansı üzerinde belirleyicidir; bu nedenle proses zinciri birlikte değerlendirilir.^[2]

4) Filtrasyon ve Dezenfeksiyonla Etkileşim

İyi koagülasyon; filtrenin daha uzun süre stabil çalışması, daha düşük çıkış bulanıklığı ve partikül bağlı patojenlerin daha iyi tutulması açısından kritik önemdedir. Bu, dezenfeksiyonun daha etkin uygulanmasına da zemin hazırlar (çok bariyerli yaklaşım).^[2]

Karşılaştırma Tablosu: Yaygın Koagülantlar

Koagülasyonu Belirleyen İşletme Parametreleri

pH

pH, koagülantın hidroliz türlerini, çözünürlüğünü ve flokun oluşma/çökme karakterini belirler. Alum uygulamalarında pH’ın artık alüminyum ve arıtım verimi üzerinde etkisi vurgulanır; bazı teknik dokümanlarda su sıcaklığına göre optimum pH aralıkları tablolarla verilir.^[8]

Alkalinite

Koagülasyon alkalinite tüketebilir; düşük alkaliniteli sularda pH’ın düşmesi koagülasyonu ve artık metal seviyelerini olumsuz etkileyebilir. Bu nedenle bazı uygulamalarda kireç, kostik veya soda külü ile alkalinite/pH ayarı yapılır.^[3]

Sıcaklık

Sıcaklık, reaksiyon hızlarını ve suyun viskozitesini etkileyerek flok oluşum kinetiğini değiştirebilir. Soğuk koşullarda koagülant seçimi ve karıştırma rejimi daha hassas hâle gelebilir; bu nedenle işletme parametreleri mevsimsel olarak yeniden optimize edilir.^[10]

Karıştırma Şiddeti ve Süresi

Hızlı karıştırmanın yetersiz olması kimyasalın homojen dağılmasını zorlaştırır; aşırı/uygunsuz karıştırma ise flokları kırabilir. Bu nedenle hızlı karıştırma ve flokülasyon ayrı hedeflere göre tasarlanır ve işletilir.^[10]

Optimizasyon ve Proses Kontrolü

Jar Testi

Jar testi (laboratuvar koagülasyon testi), belirli bir ham su için optimum koagülant türü/dozu ve pH koşullarını belirlemede en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir.^[3] Yüzey suyu arıtımında koagülasyon-flokülasyon-çöktürme adımlarının “çok bariyerli” süreç içindeki rolü ve jar testinin bu rolü doğrulamadaki önemi, eğitim kılavuzlarında ayrıntılı şekilde ele alınır.^[2]

Zeta Potansiyeli ve İzoelektrik Nokta Yaklaşımı

Zeta potansiyeli ölçümü, koagülasyon optimizasyonunda koagülant türü/dozunun belirlenmesine destek olabilen bir araç olarak rapor edilmiştir. Zeta potansiyelin izoelektrik noktaya yaklaşması, kolloidlerin maksimum destabilizasyonu ile ilişkilendirilir.^[6]

Akım İzleme / Streaming Current (Çevrimiçi Yük İzleme)

Streaming current detektörleri/monitörleri, koagülasyon sırasında askıda parçacıkların “yük” durumuna ilişkin geri besleme sağlayarak koagülant doz kontrolünde kullanılabilen enstrümantasyon örneklerindendir. Bu yaklaşım, değişken ham su koşullarında daha istikrarlı bir koagülasyon kontrolü hedefler.^[14]

İleri Koagülasyon Teknikleri

Geliştirilmiş Koagülasyon (Enhanced Coagulation)

Geliştirilmiş koagülasyon, özellikle doğal organik madde (NOM) giderimini artırmak için koagülant dozunun ve koagülasyon pH’ının daha agresif/optimize edilmiş şekilde ayarlanmasını ifade eder. Bu yaklaşım, dezenfeksiyon yan ürünleri öncüllerinin azaltılması bağlamında düzenleyici/işletmesel rehber dokümanlarda ele alınmıştır.^[15]

Elektrokoagülasyon

Elektrokoagülasyon, metal elektrotların elektrokimyasal çözünmesiyle koagülant türlerinin sistem içinde üretilmesine dayanan bir yöntemdir. Bazı uygulamalarda çözünmüş ve askıda kirleticilerin gideriminde kimyasal çöktürmeye alternatif/ön arıtım olarak değerlendirilir; pilot çalışmalara ilişkin kamuya açık bilgi notları da mevcuttur.^[16]

Veri Odaklı ve Model Tabanlı Doz Optimizasyonu

Ham su kalitesinin değişken olduğu koşullarda, modelleme ve optimizasyon yaklaşımları (ör. yapay sinir ağları ile doz tahmini) koagülant doz kontrolünü desteklemek üzere akademik çalışmalarda araştırılmaktadır.^[17]

Performansın Ölçülmesi ve İzlenmesi

Koagülasyon performansı tek bir parametreyle değerlendirilmez; proses hedeflerine göre çoklu metrik kullanılır. En yaygın göstergeler şunlardır:^[2]

• Bulanıklık (NTU): Durultma ve filtrasyon çıkışlarında takip edilir; partikül/patojen giderimi için kritik bir işletme göstergesidir.
• pH ve alkalinite: Koagülant hidrolizi ve artık metal kontrolü açısından izlenir.
• Organik madde göstergeleri (ör. TOC/SUVA): NOM giderimi ve DBP öncülü kontrolü açısından önem kazanabilir.^[15]
• Çamur üretimi ve çamur özellikleri: Kimyasal seçimi ve işletme rejimi, çamur miktarı/yoğunluğu ve bertaraf maliyetlerini etkiler.

Yaygın Problemler ve Sorun Giderme Mantığı

Koagülasyon-flokülasyon sorunları çoğunlukla “doz–pH–karıştırma–ham su” dengesinin bozulmasından kaynaklanır. Pratik bir kontrol yaklaşımı aşağıdaki sırayı izler:^[3]

1. Ham su parametrelerinde ani değişim (bulanıklık, sıcaklık, alkalinite, renk/organik madde) var mı?
2. Koagülant dozu ve koagülasyon pH’ı jar testine/işletme hedeflerine uygun mu?
3. Hızlı karıştırma kimyasalın homojen dağılması için yeterli mi; flokülasyonda flok kırılması oluyor mu?
4. Durultma ve filtre işletme koşulları (yüzey yükü, geri yıkama rejimi vb.) koagülasyon çıktısıyla uyumlu mu?

Gelecek Perspektifi

Koagülasyon, “klasik” bir proses olmasına rağmen; çevrimiçi izleme (yük temelli geri besleme), gelişmiş organik madde kontrolü (enhanced coagulation) ve model tabanlı doz optimizasyonu gibi alanlarda evrilmeye devam etmektedir.^[14][17]